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Spannende Winzlinge in Alpenrandseen
14. Mai 2019 |
Die Alpenrandseen Europas beherbergen eine charakteristische Gemeinschaft von Cyanobakterien. Im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Eawag hat Marie-Eve Monchamp diese untersucht. «Aus zehn Seen in der Schweiz, in Italien und in Frankreich haben wir Sedimentbohrkerne entnommen und die darin abgelagerte DNA von Cyanobakterien analysiert», erklärt sie. So rekonstruierten Monchamp und ihr Team, wann und wo welche Bakteriengemeinschaften gelebt hatten. Sie stellten fest, dass die Anzahl verschiedener Arten in den Seen während der vergangenen 100 Jahre zwar nicht wesentlich abgenommen hat, die Lebensgemeinschaften der verschiedenen Seen sich aber immer mehr angeglichen haben. Von den veränderten Lebensbedingungen im See profitiert haben vor allem Arten, die sich schnell an sich ändernde Umstände anpassen können. Das kann zum Problem werden, denn: «Gerade diese Arten sind oft toxisch», erklärt Monchamp.
Temperatur beeinflusst Artzusammensetzung
Die Forschenden haben die nun Daten vertieft ausgewertet, um herauszufinden, ob und wie die Aktivität des Menschen auf die Artzusammensetzungen wirken. Beeinflussen Dünge- und Waschmittel die Cyanobakteriengemeinschaft? Wie reagieren die Bakterien auf die steigenden Temperaturen?
Die Forschenden stellten alle in den Sedimentbohrkernen gefundenen Lebensgemeinschaften in Stammbäumen dar. Monchamp erklärt: «Sind die Arten zufällig über die Äste des Stammbaumes verteilt und ist kein Muster erkennbar, scheint nichts ihre Vielfalt zu beeinflussen. Sind sie gruppiert oder extrem gleichmässig verteilt, deutet dies darauf hin, dass sie durch externe Faktoren geprägt werden.»
Die photosynthetisch aktiven Cyanobakterien in den zehn Seen scheinen von den äusseren Bedingungen mässig beeindruckt: Mit 44 von 76 waren etwas mehr als die Hälfte der untersuchten Stammbäume gruppiert, die restlichen waren zufällig verteilt. Der Vergleich mit Daten zur Wasserqualität und -temperatur liess die Forschenden zum Schluss kommen, dass vor allem die Temperatur einige Arten bevorzugt und andere verschwinden liess. «Schon bei früheren Analysen sahen wir, dass auch wichtig ist, wie stabil das Wasser geschichtet ist», ergänzt Monchamp. Nährstoffe wie Phosphor oder Stickstoff hingegen scheinen die Vielfalt der Cyanobakterien-Gemeinschaft nicht zu beeinflussen.
Im Labor analysieren die Forschenden DNA photosynthetisch aktiver Cyanobakterien aus dem Sediment der Seen. (Foto: Eawag)
Daten, mit denen niemand gerechnet hatte
Als Monchamp bei der Analyse der Sedimentbohrkerne auf Gene von Cyanobakterien stiess, die keine Photosynthese betreiben, schenkte sie diesen zunächst nicht gross Beachtung. Doch als die Bakterien in grosser Zahl in den Bohrungen aller Seen und zu allen repräsentierten Zeiten auftauchten, wurde sie neugierig: «Die Daten waren zu schön, um sie nicht auszuwerten.» Gemeinsam mit ihrem Team fand sie 63 taxonomische Einheiten nicht photosynthetisch aktiver Cyanobakterien der beiden Stämme Melainabacteria und Sericytochromatia.
Auch weil sie sich im Labor kaum kultivieren lassen, sind die nicht photosynthetisch aktiven Cyanobakterien erst wenig untersucht. Die gefundenen Bakterien sind zwar verwandt mit den photosynthetisch aktiven Arten, haben aber einen völlig anderen Metabolismus und sind äusserst variabel: Sie kommen in Ökosystemen mit und ohne Sauerstoff vor, mit und ohne Licht und egal, wie viele Nährstoffe vorhanden sind. Auch in den Verdauungssystemen von Tieren leben nicht photosynthetisch aktive Cyanobakterien.
Ähnliche Fragen, andere Antworten
Die Forschenden begannen nach Mustern zu suchen, die sie bei den photosynthetisch aktiven Bakterien gefunden hatten. «Was wir fanden passte zu dem Wenigen, das in der Literatur dokumentiert ist», erzählt Monchamp. Die Analyse der Stammbäume ergab, dass Melainabacteria und Sericytochromatia nicht auf Umwelteinflüsse wie Temperatur oder Nährstoffangebot zu reagieren scheinen. Von den zehn untersuchten Seen hat sich ihre Artzusammensetzung über die letzten 100 Jahre nur im Lac d’Annecy verändert. Für Monchamp einerseits ein überraschendes Resultat, denn der Lac d’Annecy ist im Vergleich zu den anderen Seen relativ unberührt. «Bei diesen konstanten Umweltbedingungen hätten wir entsprechend auch die stabilste Population erwartet», erklärt sie. Andererseits erstaunt es sie wenig, dass der Artenreichtum der nicht photosynthetisch aktiven Cyanobakterien im Gegensatz zu den photosynthetisch aktiven über die Zeit nicht zugenommen hat: «Sie haben einen völlig anderen Stoffwechsel. Da wundert es nicht, dass sie sich auch anders verhalten.»
Für jede analysierte Lebensgemeinschaft photosynthetisch aktiver Cyanobakterien zeigt ein Datenpunkt, ob sie zufällig zusammengesetzt (mittlerer Abschnitt) oder von Umwelteinflüssen beeinflusst ist (ober- bzw. unterhalb der gestrichelten Linien).
(Quelle: Monchamp et al., 2019)
Interesse in Forschergemeinschaft geweckt
In der Forschergemeinschaft lösten die Ergebnisse grosses Echo aus. «Ich verbreitete erste Ergebnisse über Twitter und weckte damit viel Interesse», erzählt Monchamp. Denn: auch wenn die Präsenz nicht photosynthetisch aktiver Cyanobakterien in anderen aquatischen Ökosystemen bereits dokumentiert worden war, hat sie noch niemand innerhalb ihres Lebensraumes studiert. «Unsere Daten über einen längeren Zeitraum und über ein grosses Gebiet ermöglichen einen interessanten Einblick in ihre Lebensweise», sagt Monchamp. «Auf dieser Grundlage können weitere Studien aufbauen, um die Ökologie der nicht photosynthetisch aktiven Cyanobakterien zu erforschen.»
Originalpublikationen
Cyanobakterien
Cyanobakterien spielen eine der Hauptrollen in den globalen Kreisläufen von Kohlenstoff und Stickstoff. Umgangssprachlich werden die Einzeller oft als Blaualgen bezeichnet, aufgrund ihrer Biologie gehören sie aber zu den Bakterien. Als eines der ersten Lebewesen waren die Vorläufer der heutigen Cyanobakterien vor über zwei Milliarden Jahren in der Lage, Wasser zu spalten und Sauerstoff zu produzieren: Sie betrieben Photosynthese und reicherten damit die Atmosphäre mit Sauerstoff an. Unterdessen sind etwa 2000 Arten bekannt, als Teil der untersten Stufe der Nahrungskette sind sie Lebensgrundlage für viele Tiere. Cyanobakterien haben sie sich an extreme Bedingungen angepasst: Sie besiedeln Wüsten, Süss- und Salzwasser, leben in heissen Quellen oder auf salzhaltigen Steinen und sind von den Tropen bis zu den Polen zu finden.